JP2010065666A - タービン動翼組立体およびこれを備えるタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの高回転数域及び低回転数域における振動を抑制できると共に、隣接するタービン動翼における結合手段間の接触反力が過大になることを防止でき、これらによりタービン動翼の信頼性を向上できること。
【解決手段】相隣接するタービン動翼１１、１２…のシュラウド１６は、タービンの回転方向Ｕに対し鋭角αをなし相対する平坦な接触面１１ｆ、１２ｆ…を備えた第１接触面部Ｆと、タービンの回転方向に対し鈍角βをなし相対する平坦な接触面１１ｇ、１２ｇ…を備えた第２接触面部Ｇとを有し、タービン回転数の上昇過程で、第２接触面部が接触状態から分離状態に移行して第１接触面部及び第２接触面部が分離状態となり、その後、第１接触面部が分離状態から接触状態へ移行し得るよう構成されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蒸気タービン等において特に中圧部から低圧部に使用され、翼長が比較的長く、且つ翼部の断面形状が根元から先端に向かって捻れて形成された捻れ翼を備えるタービン動翼を回転軸の周方向に複数配設してなるタービン動翼組立体であって、特に各タービン動翼の振動を抑制するタービン動翼組立体、およびこれを備えるタービンに関する。

近年、多くの発電プラントでは、その形式を問わず、高負荷高稼働率運転が強く要求されるようになっており、その主要機器であるタービンは、定格運転状態のみならず、任意の各負荷での運転、負荷変化時等における安定運転時の外に、起動停止のような大きな過渡運転状態の繰り返しにも耐えなければならない。従って、タービンを構成する全ての部品に、以前よりも増して充分な運転信頼性が要求されることになる。このようなタービンの構成部品のうちで最も重要なものとしては、タービン動翼、中でも極めて大きな遠心力を受ける最終段落のタービン長翼が代表例として挙げられる。

タービンの起動停止過程におけるタービン動翼（タービン長翼）の運転信頼性上の重要な課題は、タービン回転数の変化と共に励振周波数が変化するが、この励振周波数と、一般的には数多く存在するタービン動翼の固有振動数との共振現象をいかにして低く抑えるかという点にある。

タービン最終段落以外にも広く適用されている捻れ翼からなるタービン動翼（タービン長翼）の場合、回転上昇に伴い捻り戻り（以下、アンツイストともいう）力が作用するので、このアンツイスト力を利用して、タービン定格回転数においてタービン動翼相互間を連結させることにより、振動モードを変化させて振動抑制効果を高める種々の形状のスナッバ翼が、図１６及び図１７に示すように広く使用されている。

図１６に示すように、複数のタービン動翼１、２、３…は、タービンロータ４の周方向に沿って複数枚配設されて組み付けられる。このタービン動翼１、２、３…は、それぞれ、翼部５の断面形状が根元５ｂから先端５ａへ向かって捩れて形成された捩れ翼である。

これらのタービン動翼１、２…における翼部５の先端５ａ（即ち図１７の翼部先端１ａ、２ａ…）に、それぞれシュラウド６が一体に形成される。タービン動翼１、２…の各シュラウド６は、図１７に示すように、翼部先端１ａ、２ａ…の前縁背側から突出する前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と、翼部先端１ａ、２ａ…の後縁腹側から突出する後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…とを備えてなる。

これらの前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…、後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…をそれぞれ備えた複数のシュラウド６によって、タービン動翼１、２…を結合可能とするタービン動力結合装置が構成される。尚、シュラウド６が帯状形状でないのは、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…、後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…をタービン動翼１、２…の翼部先端１ａ、２ａ…から最小の形状で突出させることで、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…、後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…に作用する遠心力を低減させるためである。

タービン動翼１、２…の組付け時、即ち、図１７（Ａ）のタービン停止状態においては、例えばタービン動翼１の後縁スナッバ１ｃとタービン動翼２の前縁スナッバ２ｂとの間に間隙（組付け間隙）Ｄが設定されている。タービン回転数の上昇に伴い、タービン動翼１、２…に作用する遠心力が大きくなると、タービン動翼１、２…の翼部５にアンツイスト力が作用して、間隙Ｄが徐々に狭まり、特定の回転数即ち接触開始回転数Ｒｃで、後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆと前縁スナッバ２ｂの接触面２ｆが接触を開始して図１７（Ｂ）の状態となる。

接触面１ｆ及び２ｆが一旦接触すると、タービン回転数がそれ以上上昇しても、後縁スナッバ１ｃと前縁スナッバ２ｂとの相互間の位置関係は変化せず、両接触面１ｆ及び２ｆにおいて接触反力が増大する。

前縁スナッバ２ｂと後縁スナッバ１ｃの間隙Ｄが大き過ぎると、所定のアンツイスト力が作用しても接触面１ｆ及び２ｆは接触せず、タービン定格回転数において振動抑制効果が発揮されなくなる。反対に、間隙Ｄが小さ過ぎると、所定のアンツイスト力が作用したときに接触反力が大きくなり過ぎ、例えばタービン動翼１においては、前縁スナッバ１ｂあるいは後縁スナッバ１ｃが翼部先端１ａから突出する根元部分に過大な応力が生ずることになる。

従って、前縁スナッバ２ｂと後縁スナッバ１ｃが接触し始める接触開始回転数Ｒｃは、タービン定格回転数あるいはオーバースピード回転数における接触面１ｆ及び２ｆに作用する接触反力の大きさ、惹いては前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…が翼部先端１ａ、２ａ…から突出する根元部分の応力の大きさを考慮して強度的に決定されねばならない。

接触開始回転数Ｒｃを特定の値に設定した場合、図１８に示すように、単翼モードのアンツイスト特性曲線１００（破線表示）に対して、例えば後縁スナッバ１ｃと前縁スナッバ２ｂが接触した後のタービン動翼１、２…のアンツイスト特性は曲線１０１（実線表示）に示すように、接触開始回転数Ｒｃ以上の回転数でアンツイスト力が一定となり、接触開始回転数Ｒｃ以降の回転数上昇に対応する接触反力特性は曲線１０２のように増加する。

図１９は、上述のようなタービン動翼１、２…におけるキャンベル線図の一例を示すものであり、タービン回転数の変化に伴い変化するタービン動翼１、２…の翼モード（単翼モード、全周一群モード）における固有振動数の変化と回転倍数励振成分との関係を示している。例えば、Ｔを、タービン動翼１、２…の単翼モードでの低次振動成分である接線方向（タービン回転方向）の固有振動数とすると、タービン回転数の２倍励振成分、３倍励振成分、４倍励振成分とｔ_１、ｔ_２、ｔ_３で共振し、これらの共振点で振動が増大する可能性がある。また、Ａは、タービン動翼１、２…の単翼モードでの低次振動成分である軸方向（タービン軸方向）の固有振動数であり、この場合には、タービン回転数の４倍励振成分とａ_１で、３倍励振成分とａ_２でそれぞれ共振することになる。これらの共振点ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ａ_１、ａ_２での運転が危険かどうかは、これらの共振点での励振力の大きさとタービン動翼１、２…の振動応答特性に依存する。一般的に、励振力は回転倍数励振成分が低いほど高く、タービン回転数が高いほど高い。また、振動応答特性は、振動成分が低次であるほど高くなる。

また、タービン動翼１、２…では、タービン回転数が前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…の接触開始回転数Ｒｃを越えると、タービン動翼１、２…の振動特性が単翼モードから全周一群モードに移行する。この全周一群モードの振動は、翼群としての軸方向振動ＧＡモードであるため、共振点での振動レベルが低くなる上に、タービン定格回転数Ｒｏでは、この軸方向振動ＧＡモードの固有振動数と回転数倍数励振成分が充分に離調されている。従って、全周一群モードではタービン動翼１、２…の振動が抑制されることになる。

ここで、図１９に示す単翼モードでの共振点ａ_１、ａ_２、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３のいずれかで振動レベルが高い場合には、その振動増大を抑制するために、タービン低回転数域での単翼モードを全周一群モードに移行させるタービン動翼結合装置が特許文献１に記載されている。これらを図２０〜図２２に示す。いずれも、タービン高回転数域でアンツイスト力を利用して、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…により、隣接するタービン動翼１、２…を結合させて全周一群モードに移行させることを技術の中心としているが、前記スナッバの接触面の形状を変形させて、タービン低回転数域でも接触を可能とする接触部を構成することによって、低回転数域と高回転数域での２段階での全周一群化を実現している。

タービン低回転数域からタービン高回転数域までの接触を１つの接触面で実現しようとすると、図１８の接触反力特性曲線１０２から明らかなように、接触開始回転数Ｒｃが低回転数域に設定されることになるが、この場合にはタービン高回転数域での接触反力が過大になって、タービン動翼１、２…の翼部先端１ａ、１ｂ…から前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…、後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…が突出する根元部分の強度が低下してしまう。

そこで、特許文献１においては、図２０に示すように、後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…の接触面１ｆ、１ｇ、２ｆ、２ｇ…に段差を設け、タービン低回転数域で、例えば後縁スナッバ１ｃの接触面１ｇと前縁スナッバ２ｂの接触面２ｆとを接触させ、タービン高回転数域で、例えば後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆと前縁スナッバ２ｂの接触面２ｆとを接触させる方式としている。図２１は、段差を有する接触面の位置を図２０の場合と入れ替え、タービン低回転数域で、例えば後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆと前縁スナッバ２ｂの接触面２ｇとを接触させ、タービン高回転数域で、例えば後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆと前縁スナッバ２ｂの接触面２ｆとを接触させる方式である。また、図２２は、このような段差の代わりに、一方の接触面（例えば後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆ）に、タービン低回転数域で他方の接触面（例えば前縁スナッバ２ｂの接触面２ｆ）に接触する突起１ｍを設けた方式である。

このような構成では、それぞれの接触面（突起）での接触反力は、接触面間の間隙を適正に選択した場合には、図１８の接触反力特性曲線１０２を基準として、図２３のようになる。即ち、タービン低回転数域での接触反力は、接触反力特性曲線１０３に従い、タービン回転数ｒ１で接触を開始し、タービン回転数ｒ２で分離するが、さらにタービン回転数が上昇すると、タービン高回転数域での接触反力は、接触反力特性曲線１０４に従って、タービン回転数Ｒｃで接触を開始し、接触反力を増大させながら、その接触状態を、タービン定格回転数Ｒｏを越えて維持する。このようにいずれかの接触面（突起）が接触しているタービン回転数領域では、基本的には全周一群モードでの運用となる。

尚、これら図２０〜図２２に示すタービン動翼１、２…のキャンベル線図は、図２４に示すように、図１９で示したキャンベル線図にも示されているタービン高回転数域における全周一群モードの他に、タービン低回転数域にさらにもう１つの全周一群モードが追加されることになる。
特開平２−１６３０３号公報

ここまでの説明により、スナッバを採用したタービン動翼１、２…の信頼性向上のための基本的要求事項は、従来（背景）技術でほぼ満足されることが分かる。即ち、第１に、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…の形状は、遠心力を抑えて安全性を高めるために、長翼であるほど翼部先端１ａ、２ａ…からの突出量を小さくする。

第２に、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…間のタービン停止時の間隙（組付け間隙）を小さくすると、これらの前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…をタービン低回転数域で接触させることができるが、タービン定格回転数に到達した時点での接触反力が過大になり、翼部先端１ａ、２ａ…から前記スナッバが突出する根元部分での応力が過大になるので、適度な大きさの組付け間隙を設定する。

第３に、タービン低回転数域での単翼モードに拘束を加えて全周一群モードを得るためには、タービン高回転数域での正規接触面以外に、タービン低回転数域でも接触する接触面（突起）を設ける。

しかしながら、現実的には、タービン動翼の初期組付け状態、タービン回転数の上昇に伴い増大するタービン動翼１、２…の翼部５のアンツイスト力、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…の接触などに関しては、接触開始時期や、接触後の接触面積等が個々のタービン動翼１、２…によって微妙に異なるのが普通であり、ばらつきが存在する。従って、タービン動翼１、２…の信頼性を向上させるためには、上述の基本的要求事項を満足した上で、前記ばらつきによる悪影響を軽減させるための工夫が必要となる。

このようなばらつきが、図１７に示すタービン動翼１、２…の前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…との間隙Ｄに発生した場合を考察する。このとき、図２５に示すように、まず、タービン動翼２がタービン回転方向に、即ちタービン動翼１側に僅かに傾いて組み付けられて、前記間隙Ｄが異なっていたとする。

この場合には、タービン動翼１の後縁スナッバ１ｃとタービン動翼２の前縁スナッバ２ｂとの間隙Ｄ_１よりも、タービン動翼２の後縁スナッバ２ｃとタービン動翼３の前縁スナッバ３ｂとの間隙Ｄ_２の方が大きくなり、設計組付け間隙をＤ_０としたとき、Ｄ_２＞Ｄ_０＞Ｄ_１となる。この状態でタービン回転数を上昇させると、図２６に示すように、間隙Ｄ_１を構成する後縁スナッバ１ｃと前縁スナッバ２ｂが先に接触を開始し（間隙Ｄ_１＝０）、間隙Ｄ_２を構成する後縁スナッバ２ｃと前縁スナッバ３ｂとは間隙Ｄ_２′（＜Ｄ_２）となる。これらの後縁スナッバ２ｃと前縁スナッバ３ｂとが接触を開始するまでは、タービンの回転上昇と共に、間隙Ｄ_１側の後縁スナッバ１ｃと前縁スナッバ２ｂの接触面における接触反力が増大することになる。このような状態では、タービン動翼２の前縁スナッバ３ｂの接触面２ｆには、この接触面２ｆに垂直な方向に、タービン動翼１の後縁スナッバ１ｃの接触面１ｆから接触反力Ｆｃが作用し、そのうちのタービンロータ（回転軸）の軸方向成分Ｆａはタービン動翼２を回転軸の軸方向下流側（出口側）に倒す方向に作用する。

また、図２５および図２６に示した例とは逆に、タービン動翼２がタービンの反回転方向に、即ちタービン動翼３側に僅かに傾いて組み付けられて、前記間隙ＤがＤ_１＞Ｄ_０＞Ｄ_２のように異なっていた場合には、間隙Ｄ_２側の後縁スナッバ２ｃと前縁スナッバ３ｂが先に接触を開始する。この場合、タービン動翼２の後縁スナッバ２ｃの接触面２ｆには、この接触面２ｆに垂直な方向に、タービン動翼３から接触反力が作用し、そのうちのタービンロータ（回転軸）の軸方向成分は、タービン動翼２を回転軸の軸方向上流側（入口側）に倒す方向に作用する。

即ち、タービン動翼１、２…の前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…との間隙（組付け間隙）Ｄにばらつきがあると、個々のタービン動翼１、２…での接触開始回転数Ｒｃにばらつきを生じ、その結果、回転中のタービン動翼１、２…は、回転軸に対する軸方向上流側（タービンロータ軸方向前側）または下流側（タービンロータ軸方向後側）に倒れるものが混在するようになる。このように、前縁スナッバ１ｂ、２ｂ…と後縁スナッバ１ｃ、２ｃ…における同一方向の接触面間の摩擦力を利用してタービン動翼１、２…に拘束力を与えるような構造では、一旦拘束を与えると、タービン動翼１、２…相互間の位置関係を変えることは極めて難しく、初期に発生した相互位置関係が、そのままタービン定格運転状態まで維持されることになる。その結果、タービン動翼１、２…の回転軸に対する軸方向上流側または下流側の倒れが著しく大きな場合には、翼列の性能に悪影響が出るばかりではなく、タービン動翼１、２…の浸食に偏りが生じて、タービン性能が低下する恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、タービンの高回転数域及び低回転数域における振動を抑制できると共に、隣接するタービン動翼における結合手段間の接触反力が過大になることを防止でき、これらによりタービン動翼の信頼性を向上できるタービン動翼組立体およびこれを備えるタービンを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、隣接するタービン動翼における結合手段間の間隙のばらつきに起因するタービン動翼の軸方向への倒れ現象を抑制して、タービン性能の低下を防止できるタービン動翼組立体およびこれを備えるタービンを提供することにある。

本発明は以下のように、断面形状が根元から先端に向かって捻れて形成された翼部と、前記翼部の翼部先端に一体に形成されたシュラウドとを備えるタービン動翼を回転軸の周方向に複数配設し、各前記タービン動翼の前記翼部先端と前記シュラウドとを含む先端部に設けられた結合手段を用いて、これらの周方向に配設された複数の前記タービン動翼を一群に結合可能としたタービン動翼組立体であって、相隣接する前記タービン動翼のそれぞれの前記先端部に設けられる前記結合手段は、前記回転軸の軸方向下流側へ向かってタービンの回転方向に対し鋭角をなし、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記先端部と相対する平坦な接触面を備えた第１接触面部と、前記回転軸の軸方向下流側へ向かってタービンの回転方向に対し鈍角をなし、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記先端部と相対する平坦な接触面を備えた第２接触面部とを有し、前記タービンが停止した状態で前記タービン動翼ぞれぞれの前記第２接触面が、周方向に隣接する前記タービン動翼の第２接触面部と接触状態におかれるとともに、前記タービンの回転数の上昇過程で、前記タービン動翼のぞれぞれの前記第２接触面部が接触状態から分離状態に移行して前記第１接触面部及び第２接触面部が分離状態となり、その後前記第１接触面部が分離状態から、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記第１接触面部との接触状態へ移行し得るよう構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、第２接触面部の接触状態から分離状態への移行特性と、第１接触面部の分離状態から接触状態への移行特性とを比較的自由に選択できるので、タービン回転数域におけるタービン動翼の全周一群モードと単翼モードとの最適な使い分けが可能となる。このため、タービンの高回転数域及び低回転数域における振動を抑制できると共に、隣接するタービン動翼における結合手段間の接触反力が過大になることを防止でき、これらによりタービン動翼の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図９）
図１は、本発明に係るタービン動翼組立体における第１の実施の形態の一部を拡大し、各タービン動翼の組付け状態を示す一部拡大斜視図である。図２は、図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン停止状態を半径方向外側から見た正面図である。図３は、図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン回転数上昇中の状態を半径方向外側から見た正面図である。図４は、図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン定格回転状態を半径方向外側から見た正面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るタービン動翼組立体１０は、翼部１５とシュラウド１６を備える複数のタービン動翼１１、１２、１３…が、回転軸としてのタービンロータ１４の周方向に沿って複数枚配設されて組み付けられて構成される。このとき、タービン動翼１１、１２、１３…のそれぞれの植込部１７がタービンロータ１４の溝１８に埋め込まれて、図示しないピンにより固定される。タービン動翼１１、１２、１３…は、それぞれの翼部１５の断面形状が根元１５ｂから先端１５ａへ向かって捩れて形成された捩れ翼である。そして、このタービン動翼組立体１０がタービンロータ１４とともに、図示しないケーシング内に回転可能に収納されてタービンを構成している。尚、図１中の符号１９は、タービン動翼１１、１２、１３…の中央部を連結する捩れ止め部材である。

これらのタービン動翼１１、１２…における翼部１５の先端１５ａ（即ち図２の翼部先端１１ａ、１２ａ…）に、前記シュラウド１６がそれぞれ一体に形成される。タービン動翼１１、１２…の各シュラウド１６は、図２に示すように、翼部先端１１ａ、１２ａ…の背側から突出する前縁スナッバ１１ｂ、１２ｂ…と、翼部先端１１ａ、１２ａ…の腹側から突出する後縁スナッバ１１ｃ、１２ｃ、…とを備えてなる。これらの前縁スナッバ１１ｂ、１２ｂ…、後縁スナッバ１１ｃ、１２ｃ…をそれぞれ備えた複数のシュラウド１６が結合手段となり、このシュラウド１６によってタービン動翼１１、１２…を一群に結合可能とする。

図２に示すように、タービン動翼１１、１２…のうち、任意の例えばタービン動翼１２のシュラウド１６における前縁スナッバ１２ｂの前縁側端面（接触面１２ｆ及び１２ｇ）と、このタービン動翼１２の前縁側に隣接する例えばタービン動翼１１のシュラウド１６における後縁スナッバ１１ｃの後縁側端面（接触面１１ｆ及び接触面１１ｇ）との間に第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇが形成される。

つまり、第１接触面部Ｆは、半径方向外側から見て、タービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側から下流側（入口側から出口側）へ向かって、タービンの回転方向Ｕに対し鋭角αを成し、相対する平坦な接触面、例えば接触面１１ｆ、１２ｆ…により形成される。また、第２接触面部Ｇは、半径方向外側から見て、タービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側から下流側（入口側から出口側）へ向かって、タービンの回転方向Ｕに対し鈍角βを成し、相対する平坦な接触面、例えば接触面１１ｇ、１２ｇ…により形成される。ここで、第１接触面部Ｆは、第２接触面部Ｇに対してタービンロータ１４の軸方向下流側(出口側)に設けられる。なお、図２において、回転軸（タービンロータ１４）の軸方向は回転方向Ｕと直交する方向である。

タービン停止時であるタービン動翼１１、１２…の組付け状態で、第１接触面部Ｆを構成する接触面１１ｆと接触面１２ｆとの間に間隙Ｄｆが設けられて、両接触面１１ｆ、１２ｆは分離状態に設定される。また、第２接触面部Ｇを構成する接触面１１ｇと接触面１２ｇとは、タービン動翼１１、１２…の組付け状態で接触状態に設けられ、接触面１１ｇと接触面１２ｇとの間の間隙ＤｇはＤｇ＝０に設定される。更に、このタービン動翼１１、１２…の組付け状態で、接触面１１ｇと接触面１２ｇは押し付けられて構成され、両接触面１１ｇ、１２ｇに接触反力が生ずる。

そして、タービン回転数の上昇過程で、タービン動翼１１、１２…に作用する遠心力による、図２及び図４に示す矢印Ｏに示す翼部１５の捻り戻り力（アンツイスト力）によって、図３及び図４に示すように、第２接触面部Ｇは接触状態から分離状態へ移行して、第２接触面部Ｇ及び第１接触面部Ｆが分離状態となり、その後、第１接触面部Ｆは分離状態から接触状態へ移行する。また、タービン回転数の下降過程では、タービン動翼１１、１２…に作用する翼部１５の捻り力によって、第１接触面部Ｆは接触状態から分離状態へ移行して、第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇが分離状態となり、その後、第２接触面部Ｇは分離状態から接触状態へ移行する。

ここで、タービン回転数の上昇過程で翼部１５のアンツイスト力によって、第１接触面部Ｆを構成する例えば接触面１１ｆと接触面１２ｆは、回転軸（タービンロータ１４）の軸方向下流側へ向かってタービン回転方向Ｕに対し鋭角αに設定されているので、図５（Ａ）に示すように、離反する方向（矢印Ｑｆ）に移動し、また、第２接触面部Ｇを構成する例えば接触面１１ｇと接触面１２ｇは、回転軸（タービンロータ１４）の軸方向下流側へ向かってタービン回転方向Ｕに対し鈍角βに設定されているので、図５（Ｂ）に示すように、接近する方向（矢印Ｑｇ）に移動する。

具体的には、タービン動翼１１、１２…の組付け時において、第１接触面部Ｆでは図２に示すように、互いに相対し平坦な平行面をなす、例えばタービン動翼１１の後縁スナッバ１１ｃの接触面１１ｆと、タービン動翼１１に対し後縁側に隣接するタービン動翼１２の前縁スナッバ１２ｂの接触面１２ｆとが、予め定められた間隙（組付け間隙）Ｄｆを保つように組み付けられる。一方、第２接触面部Ｇでは、例えばタービン動翼１２の前縁スナッバ１２ｂの接触面１２ｇは、タービン動翼１２に対し前縁側に隣接するタービン動翼１１の後縁スナッバ１１ｃの接触面１１ｇに接触されて、初期接触反力を持たせた状態で組み付けられる。

タービンの回転数が上昇を開始すると、第２接触面部Ｇでは、互いに接触している前縁スナッバ１２ｂの接触面１２ｇと後縁スナッバ１１ｃの接触面１１ｇとの接触反力が徐々に低下し、予め定められたある回転数において接触反力がゼロになり、接触面１２ｇと接触面１１ｇとが分離し始める。一方、第１接触面部Ｆでは、予め定められたある回転数において、接触面１１ｆと接触面１２ｆが接触を開始し、第１接触面部Ｆにおける拘束が始まる。このとき、図４に示すように、第２接触面部Ｇでは、間隙Ｄｇが第１接触面部Ｆの拘束（摩擦力）によって一定の値となる。それ以降の回転数上昇において、第１接触面部Ｆでは接触反力が増大して拘束力が増すが、第２接触面部Ｇでの間隙Ｄｇは一定の値に維持される。尚、タービン回転数の下降時には、上述の説明と逆の動作が行われる。

タービン回転数の変化に対する第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇの各接触反力における変化の様相を、図６の曲線１０５と曲線１０７に示す。この図は、背景（従来）技術における図２３の接触反力特性曲線１０３と接触反力特性曲線１０４にそれぞれ相当するものである。本実施形態の第１接触面部Ｆにおける接触反力特性曲線１０７の特性は、本質的には、背景技術における接触反力特性曲線１０４と同一と考えられる。

しかしながら、本実施形態では、接触反力特性曲線１０７の接触開始回転数Ｒｃの位置は、第２接触面部Ｇが第１接触面部Ｆとは離反接近の動作方向が異なり、第２接触面部Ｇの接触反力がタービン回転数の上昇過程で低下するので、第１接触面部Ｆの接触開始回転数Ｒｃと、第２接触面部Ｇの分離回転数ｒ２とをより自由に設定できる。すなわち、図６において、第２接触面部Ｇでの組付け時押付力Ｅを変化させることにより、分離回転数ｒ２を任意に選定することが可能となる。これは、第２接触面部Ｇの接触反力特性が曲線群１０６のように表されることを意味する。また、第１接触面部Ｆでも、組付け時の間隙Ｄｆを調整することにより、接触開始点回転数Ｒｃを自由に設定できるので、第１接触面部Ｆの接触反力特性は図６の曲線群１０８で表されることになる。これらの分離回転数ｒ２と接触開始点回転数Ｒｃの設定値に関しては後に詳説する。

このように、第１接触面部Ｆと第２接触面部Ｇの接触反力特性を自由に選択できるために、タービン回転数域における全周一群モードと単翼モードの最適な使い分けが可能になる。特に、第１接触面部Ｆにおける分離と接触の特性を、図６に示す本実施形態と図２３に示す背景技術とで比較する。背景技術における図２３の接触反力特性曲線１０３は、回転数ｒ１で接触が開始してから徐々に接触反力が増大し、分離回転数ｒ２で最大値になることを示している。これに対して、本実施形態の図６における接触反力特性曲線１０５では、組付け時の押付力Ｅが接触反力の最大値となるが、この接触反力は最大値から徐々に減少し、分離回転数ｒ２ではゼロになっている。

これは、背景技術では、摩擦力の作用の下で、分離回転数ｒ２において接触反力が最大の状態からゼロの状態に移行できない場合があるのに対して、本実施形態では、第２接触面部Ｇに作用する接触反力を、一旦ゼロにした上で、第１接触面部Ｆが分離状態から接触を開始するので、より信頼性のある特性になっていることを示している。

図７に、本実施形態において上述のタービン動翼結合装置１０を備えたタービン動翼１１、１２…のキャンベル線図の一例を示す。図１７に示す背景技術のタービン動翼１、２…のキャンベル線図（図１９）と比較すると、本実施形態では、低回転数域にも、全周一群モードでの運転領域がタービン停止時から広範囲に加わっており、タービン起動は、第２接触面部Ｇの接触状態下での全周一群モードで行われることになる。

尚、図２０〜図２２のタービン動翼１、２…の場合のキャンベル線図は、図２４に示すように、図１９のキャンベル線図において高回転数域における全周一群モードの他に、低回転数域に更にもう１つの全周一群モードが部分的に追加されることになるが、タービン停止時を全周一群モードの領域とすることは不可能である。

図７において、単翼モードでの軸方向の固有振動数Ａに対する共振点ａ_１は、低回転数域の全周一群モード領域に近いので、図６の接触反力特性曲線１０６において組付け時押付力Ｅを大きくし、即ち、図２の第２接触面部Ｇで接触面１１ｇと接触面１２ｇの接触反力を高くして組み付けることにより、図６上で第２接触面部Ｇでの分離回転数ｒ２を高回転数側に移動させて、図７上の共振点ａ_１を共振点ｔ_２、ｔ_３と共に、第２接触面部Ｇによる全周一群モードに含めることができ、この共振点ａ_１を、共振点ｔ_２、ｔ_３と共に消滅させることが可能となる。

また、図１９では存在していた単翼モードでの共振点ａ_２は、図７では、第１接触面部Ｆでの接触による高回転数域での全周一群モードの運転域に含まれており消滅している。この状態は、図２及び図６において、第１接触面部Ｆの間隙（組付け間隙）Ｄｆの調整により、接触開始回転数Ｒｃを下げることによって得られる。同様に、共振点ｔ_１についても、第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆの調整により、接触開始点回転数Ｒｃを下げることで消滅させることが可能になる。

このように、図６に示す第１接触面部Ｆと第２接触面部Ｇの接触反力特性、即ち翼モードの変換特性を利用して、危険性の高い固有振動数との共振を回避したり抑制することが可能になるので、タービン動翼１１、１２…の信頼性を高めることが可能となる。

第１接触面部Ｆにおける接触開始回転数Ｒｃと第２接触面部Ｇの分離回転数ｒ２をどのような値に設定するかについて、以下に詳説する。

第１接触面部Ｆによる接触の目的は、タービン動翼１１、１２…の翼部先端１１ａ、１２ａ…側での拘束を強化して全周一群モードを構成し、タービン高回転数域においてタービン動翼１１、１２…の単翼モードでの固有振動数との共振を避けることにある。このとき、第１接触面部Ｆでの接触反力が過大にならないようにする。この接触反力が過大になると、前述の如く、翼部先端１１ａ、１２ａ…から前縁スナッバ１１ｂ、１２ｂ…、後縁スナッバ１１ｃ、１２ｃ…が突出する根元部分の応力が増大してしまうからである。

また、第２接触面部Ｇによる接触の目的は、低回転数域においてタービン動翼１１、１２…の単翼モードでの固有振動数との共振を避けるために、単翼モードを軽度の拘束力による全周一群モードに変換することにある。

このタービン高回転数域とタービン低回転数域での２つの接触形態の使い分けは、図６に示す接触反力特性曲線群１０６及び１０８で示すように、希望する拘束度合いを得るために、前述の如く、ある程度の範囲で自由に選定することが可能である。

ここで重要なことは、接触反力特性曲線群１０６及び１０８から選択された接触反力特性曲線を曲線１０５と曲線１０７とすると、この両者の間にはタービン回転数に関する隙間（回転数間隙Ｒｗ：後述）が必要になることである。言い換えると、第２接触面部Ｇでの接触が分離回転数ｒ２に到達して分離した後に、第１接触面部Ｆが接触開始回転数Ｒｃに到達して接触を開始、即ち接触状態へ移行するようにしなければならない。これは、第２接触面部Ｇでの拘束がなされている状態で第１接触面部Ｆでの拘束が始まると、摩擦力の作用の下では、第２接触面部Ｇはそのままの位置で拘束され、タービン定格回転数においても、図４に示す設計状態の間隙Ｄｇに到達しないことになり、第２接触面部Ｇにおいて衝突による摩耗が発生し易くなってしまうからである。

このように、第２接触面部Ｇの接触状態を、第１接触面部Ｆが接触開始回転数Ｒｃに到達する以前に完全に分離させるためには、ばらつき等を考慮して、回転数間隙Ｒｗ（分離回転数ｒ２から接触開始回転数Ｒｃまでの回転数域）を、タービン定格回転数の５％程度以上の回転数に設ける必要があることが経験的に知られている。

また、回転数間隙Ｒｗを狭くした場合（サフィックス：ｘ）と、広くした場合（サフィックス：ｙ）との比較の一例を図８に示す。第１接触面部Ｆの間隙（組付け間隙）をＤｆ_ｙとＤｆ_ｘ（Ｄｆ_ｙ＞Ｄｆ_ｘ）、第２接触面部Ｇのタービン定格回転時における間隙をＤｇ_ｙとＤｇ_ｘ（Ｄｇ_ｙ＞Ｄｇ_ｘ）としたとき、回転数間隙Ｒｗは、それぞれに対応して図示の如く、Ｒｗ_ｙ（分離回転数ｒ２_ｙから接触開始回転数Ｒｃ_ｙまでの回転数域）と、Ｒｗ_ｘ（分離回転数ｒ２_ｘから接触開始回転数Ｒｃ_ｘまでの回転数域）になる。この回転数間隙Ｒｗにおいては、接触による拘束力がない単翼モードによる運転になるので、第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ_ｙ、Ｄｆ_ｘと第２接触面部Ｇの間隙Ｄｇ_ｙ、Ｄｇ_ｘのうち、小さい方の間隙の最大値で決まる振動振幅制限幅Ｖ_ｙとＶ_ｘは、回転数間隙Ｒｗの広さに比例して大きくなることが分かる。従って、振動による振れ幅を抑制するためには、回転数間隙Ｒｗは小さい方が良いことになる。このため、回転数間隙Ｒｗの上限は、例えばタービン定格回転数の２０％の回転数に設定される。

一方、第１接触面部Ｆでの接触開始回転数Ｒｃは、タービン最高回転数においてタービン動翼１１、１２…の翼部先端１１ａ、１２ａ…に発生する、タービン動翼１１、１２…の構造によって定まる応力と、このタービン動翼１１、１２…の材料で決まる許容応力の大きさの比が制限要因となり、最高許容接触圧力から、図６の接触反力特性曲線群１０８を用いて定めることができる。従って、接触開始回転数Ｒｃの上限は、通常、タービン定格回転数の７５％の回転数に設定される。

図９には、第１接触面部Ｆにおける間隙（組付け間隙）Ｄｆをタービン低回転数域で選択した場合とタービン高回転数域で選択した場合を比較している。この図９において、間隙Ｄｆのばらつきの許容値をｍとするとき、それに対応する接触開始回転数Ｒｃのばらつきｎは、曲線１０９の特性によって、タービン高回転数域でのｎ_１の方が、タービン低回転数域でのｎ_２より小さく抑えることが可能である。これらの第１接触面部Ｆにおける間隙Ｄｆと接触開始回転数Ｒｃのばらつきを考慮して、接触開始回転数Ｒｃの下限はタービン定格回転数の６０％の回転数に設定される。

従って、接触開始回転数Ｒｃは、通常、タービン定格回転数の６０％〜７５％の回転数に設定される。このように接触開始回転数Ｒｃを設定することで、第２接触面部Ｇにおける分離回転数ｒ２の最適値は、回転数間隙Ｒｗが前述の如くタービン定格回転数の５％〜２０％の回転数であることから、接触開始回転数Ｒｃよりもタービン定格回転数の５％〜２０％低い回転数に設定され、例えば、タービン定格回転数の５０％〜６５％の回転数に設定される。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。

（１）第２接触面部Ｇの接触状態から分離状態への移行特性（即ち図６の接触反力特性曲線１０５）と、第１接触面部Ｆの分離状態から接触状態への移行特性（即ち図６の接触反力特性曲線１０７）とを比較的自由に選択できるので、タービン回転数域におけるタービン動翼１１、１２…の全周一群モードと単翼モードとの最適な使い分けが可能となる。このため、タービンの高回転数域及び低回転数域における振動を抑制できると共に、隣接するタービン動翼１１、１２…における前縁スナッバ１１ｂ、１２ｂ…と後縁スナッバ１１ｃ、１２ｃ…間の接触反力が過大なことを防止でき、これらによりタービン動翼１１、１２…の信頼性を向上させることができる。

（２）特に、図６に示す翼モードの変換特性、及び図７に示すキャンベル線図を利用して、第１接触面部Ｆでの間隙Ｄｆあるいは接触開始回転数Ｒｃ、及び第２接触面部Ｇにおける初期（組付け時）押付力Ｅを適正に選択することにより、タービン動翼１１、１２…における危険性の高い固有振動数との共振を回避したり抑制する操作が可能になるので、より信頼性の高いタービン動翼１１、１２…を実現できる。これは、異なった振動特性を有するタービン動翼１１、１２…でも、若干の調整を加えるだけで、同一のシュラウド１６構成を適用できることを意味する。

（３）第２接触面部Ｇでは、タービン動翼１１、１２…の組付け時に間隙Ｄｇがゼロに設定されるので、タービン動翼組付け時の点検項目として有効である。更に第２接触面部Ｇは、タービン低回転数域で間隙Ｄｇが微小間隙となるので、このときタービン動翼１１、１２…が共振現象を生じた場合にも、例えば接触面１１ｇと接触面１２ｇが衝突することで制振効果を発揮できる。

（４）タービン回転数の上昇過程で第１接触面部Ｆが接触を開始する接触開始回転数Ｒｃが、タービン定格回転数の６０％〜７５％の回転数に設定されたので、タービン高回転数域で全周一群モードを構成して、タービン動翼１１、１２…の固有振動数との共振を回避でき、振動を抑制できる。また、タービン回転数の上昇過程で第２接触面部Ｇが接触状態から分離状態へ移行する分離回転数ｒ２が、第１接触面部Ｆの接触開始回転数Ｒｃよりも、タービン定格回転数の５％〜２０％低い回転数に設定され、例えばタービン定格回転数の５０％〜６５％の回転数に設定されたので、タービン低回転数域においても起動時を含む広い範囲に全周一群モードを構成して、タービン動翼１１、１２…の固有振動数との共振を回避し、振動を抑制することができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図１０〜図１５）
図１０は、本発明に係るタービン動翼組立体における第２の実施の形態のうち、複数のシュラウドのタービン停止状態を半径方向外側から見た正面図である。図１１は、図１０の複数のシュラウドにおけるタービン定格回転状態を半径方向外側から見た正面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態におけるタービン動翼組立体２０が前記実施の形態のタービン動翼組立体１０と異なる点は、タービン動翼１１、１２…の各翼部１５において、翼部先端１１ａ、１２ａ…の背側におけるタービン回転方向Ｕ側部分のみに前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…が突出して一体に形成され、且つ翼部先端１１ａ、１２ａ…の腹側におけるタービン回転方向Ｕと反対側部分のみに後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…が突出して一体に形成され、これらの前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…と後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…と翼部先端１１ａ、１２ａ…とからなる結合手段に第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇが形成されると共に、隣接翼近接面部Ｈが形成された点である。

すなわち、第１の実施の形態においては、結合手段である第１接触面部Ｆを構成する接触面１１ｆ、１２ｆと第２接触面部Ｇを構成する接触面１１ｇ、１２ｇはそれぞれシュラウド部分に設けられていたが、本実施の形態においては、結合手段のうち後縁側の第２接触面部Ｇを構成する接触面が、シュラウド部分ではなく翼部先端１１ａ、１２ａ…の後縁腹側に設けられている。すなわち、本実施の形態においては、結合手段である第１接触面部Ｆと第２接触面部Ｇを、前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂや後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃなどのシュラウド１６および翼部先端１１ａ、１２ａ…を含む翼先端部に設け、各接触面が周方向に隣接するタービン動翼１１、１２、１３の翼先端部（すなわち、シュラウド１６および翼部先端１１ａ、１２ａ…を含む部分）と相対させるようにしている。

更に、第１の実施の形態においては、翼先端部である前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂおよび後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃに設けられた第１接触面部１１ｆ、１２ｆは、第２接触面部１１ｇ、１２ｇよりもタービンロータ１４（回転軸）の軸方向下流側に設けられているが、本実施の形態においては、翼先端部に設けられた第１接触面部Ｆを構成する接触面がそれぞれ、第２接触面部Ｇを構成する接触面よりもタービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側（入口側）にそれぞれ設けられている。

詳述すると、第１接触面部Ｆは、タービン動翼１１、１２…のうち、任意の例えばタービン動翼１２における前縁スナッバ２２ｂの前縁側端面である接触面２２ｆと、このタービン動翼１２の前縁側に隣接する例えばタービン動翼１１の後縁スナッバ２１ｃの後縁側端面である接触面２１ｆにより形成される（図１２（Ｂ））。これらの接触面２２ｆ及び２１ｆは、半径方向外側から見て、タービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側から下流側（入口側から出口側）へ向かって、タービンの回転方向Ｕに対し鋭角αを成し、相対して平坦な形状に形成される。

なお、本実施の形態においては更に、例えば第１接触面部Ｆを構成する前縁スナッバ２２ｂの接触面２２ｆの翼部先端１２ａ側と、後縁スナッバ２１ｃの接触面２１ｆの翼部先端１１ａ側に、接触面２１ｆ、２２ｆの接触によって作用する接触反力に伴う応力集中を緩和するための凹部２２ｒ、２１ｒがそれぞれ設けられている。

また、第２接触面部Ｇは、タービン動翼１１、１２…のうち、任意の例えばタービン動翼１２における前縁スナッバ２２ｂの、接触面２２ｆよりもタービンロータ１４（回転軸）の軸方向下流側に設けられた突出部先端面２２ｇと、このタービン動翼１２の前縁側に隣接する例えばタービン動翼１１の翼部先端１１ａの後縁腹側面２１ｇａとにより形成される（図１２（Ｃ））。これらの接触面としての突出部先端面２２ｇ及び後縁腹側面２１ｇａは、半径方向外側から見て、タービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側から下流側（入口側から出口側）へ向かって、タービンの回転方向Ｕに対し鈍角βを成し、相対して平坦な形状に形成される。なお、図１１、１２において、回転軸（タービンロータ１４）の軸方向は回転方向Ｕと直交する方向である。

タービン停止時であるタービン動翼１１、１２…の組付け状態で、第１接触面部Ｆを構成する接触面２１ｆと接触面２２ｆとの間に間隙Ｄｆが設けられて、両接触面２１ｆと接触面２２ｆは分離状態に設定される。また、第２接触面部Ｇを構成する後縁腹側面２１ｇａと突出部先端面２２ｇとは、タービン動翼１１、１２…の組付け時に接触して設けられ、後縁腹側面２１ｇａと突出部先端面２２ｇとの間の間隙Ｄｇは、Ｄｇ＝０に設定される。更に、このタービン動翼１１、１２…の組付け状態で、後縁腹側面２１ｇａと突出部先端面２２ｇは押し付けられて構成され、これらの後縁腹側面２１ｇａ、突出部先端面２２ｇに接触反力が生ずる。

そして、タービン回転数の上昇過程で、タービン動翼１１、１２…に作用する遠心力による翼部１５の捻り戻り力（アンツイスト力）によって、図１１に示すように、第２接触面部Ｇは接触状態から分離状態へ移行して、第２接触面部Ｇ及び第１接触面部Ｆが分離状態となり、その後、第１接触面部Ｆは分離状態から接触状態へ移行する。また、タービン回転数の下降過程では、タービン動翼１１、１２…に作用する翼部１５の捻り力によって、第１接触面部Ｆは接触状態から分離状態へ移行して、第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇが分離状態となり、その後、第２接触面部Ｇは分離状態から接触状態へ移行する。

具体的には、タービン動翼１１、１２…の組付け時において、第１接触面部Ｆでは、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、互いに相対する平坦な平行面をなす、例えばタービン動翼１１の後縁スナッバ２１ｃの接触面２１ｆと、タービン動翼１１に対し後縁側に隣接するタービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂの接触面２２ｆが、予め定められた間隙Ｄｆを保つように組み付けられる。一方、第２接触面部Ｇでは、図１２（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、例えばタービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂの突出部先端面２２ｇを、タービン動翼１１の翼部先端１１ａの後縁腹側面２１ｇａに接触させて、初期接触反力を持たせた状態で組み付けられる。

タービン回転数が上昇を開始すると、第２接触面部Ｇでは、互いに接触している前縁スナッバ２２ｂの突出部先端面２２ｇとタービン動翼１１の翼部先端１１ａの後縁腹側面２１ｇａとの接触反力が徐々に低下し、予め定められたある回転数において、接触反力がゼロになり、これらの突出部先端面２２ｇと後縁腹側面２１ｇａは分離し始める。一方、第１接触面部Ｆでは、予め定められたある回転数において、図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、後縁スナッバ２１ｃの接触面２１ｆと前縁スナッバ２２ｂの接触面２２ｆとが接触を開始し、第１接触面部Ｆによる拘束が始まる。このとき、図１３（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、第２接触面部Ｇでは、この第１接触面部Ｆの拘束によって間隙Ｄｇの値が一定に保持される。タービン回転数のそれ以降の上昇過程では、第１接触面部Ｆでは接触反力が増大して行くが、第２接触面部Ｇの間隙Ｄｇは一定の値に維持される。尚、タービン回転数の下降時は、上述の説明と逆の動作となる。

ところで、タービン動翼１１、１２…を含むタービン部品の製作・組付け・運転の各段階においては、理想状態からある程度のばらつきが発生することは避けられない。例えば、タービン動翼１１、１２…の製作時における僅かな曲げや捻り変形の発生は、タービン動翼１１、１２…の組付け時に隣接部品間の間隙のばらつきとなって現れる。

このようなばらつきが、タービン動翼１１、１２…の組付け時の第１接触面部Ｆで発生した場合を考察する。即ち、図１４に示すように、タービン動翼１１、１２…の組付け状態のばらつきによって、例えばタービン動翼１２がタービン動翼１１側に僅かに傾き、タービン動翼１２の前縁側の第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ_１よりも、タービン動翼１２の後縁側の第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ_２の方が大きくなっているとする。

このままタービン回転数が上昇すると、図１５に示す回転中の状態において、間隙Ｄｆ_１側の第１接触面部Ｆが接触を開始して、タービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂにおける接触面２２ｆに接触反力Ｆｃが作用し、この接触反力Ｆｃの軸方向成分Ｆａは、タービン動翼１２を軸方向後側（出口側）に倒す方向に作用する。しかし、この場合、第２接触面部Ｇを構成する前縁スナッバ２２ｂの突出部先端面２２ｇがタービン動翼１１の翼部先端１１ａの後縁腹側面２１ｇａに接触しているので、タービン動翼１２が軸方向後側に倒れる前に、後縁腹側面２１ｇａから突出部先端面２２ｇに接触反力ｆｃが作用し、この接触反力ｆｃの軸方向成分ｆａは、前記軸方向成分Ｆａを相殺する方向に働く。即ち、第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆの組付け時に生ずるばらつきによって発生するタービン動翼１１、１２…の軸方向後側の倒れは、第２接触面部Ｇの、最初はゼロに設定されている間隙Ｄｇによって抑制されることになる。

更に詳説すると、図１４に示すように、タービン動翼１１、１２…の組付け時には、例えばタービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂの突出部先端面２２ｇが、前縁側に隣接する例えばタービン動翼１１の翼部先端１１ａにおける後縁腹側２１ｇａに押し付けられた状態となっている。従って、図１４のタービン停止状態では、突出部先端面２２ｇと後縁腹側２１ｇａとの間には、接触反力ｆｃが図１５に示すように、これらの面２２ｇ、２１ｇａに垂直方向に既に作用していることになる。この接触反力ｆｃの周方向成分ｆｔは、タービン動翼１２を反回転方向に押すが、軸方向成分ｆａは、タービン動翼１２を軸方向上流側（入口側）に倒す成分となる。

このタービン停止時からタービン回転数が上昇すると、図１５のように、間隙Ｄｆ_１側の第１接触面部Ｆが接触を開始して、タービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂは、タービン動翼１１の後縁スナッバ２１ｃからの接触反力Ｆｃを受け、その軸方向成分Ｆａは、タービン動翼１２を軸方向下流側（出口側）に倒す方向に作用する。ところが、第２接触面部Ｇに作用する前記接触反力ｆｃの軸方向成分ｆａが、回転上昇開始時から軸方向成分Ｆａを相殺するように作用することになる。このとき、タービン動翼１２の前縁側の第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ_２′はタービン停止時の間隙Ｄｆ_２よりも小さな値となる。尚、タービン動翼１１、１２…の組付け時に第２接触面部Ｇの押付力Ｅを大きく設定すれば、軸方向成分ｆａによる軸方向成分Ｆａの相殺効果を更に高めることが可能になる。

また、前記接触反力Ｆｃの周方向成分Ｆｔはタービン回転方向Ｕの反対方向に作用し、タービン動翼１２の回転方向Ｕ側（つまりタービン動翼１１側）への傾きを修正する方向となっている。更に、第２接触面部Ｇでの接触反力ｆｃの周方向成分ｆｔが上記周方向成分Ｆｔに加算されるため、タービン動翼１２の回転方向Ｕへの傾きに対する修正力が更に大きくなる。

一方、例えばタービン動翼１２がタービン動翼１３側に僅かに傾き、タービン動翼１２の前縁側の第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ１が、タービン動翼１２の後縁側の第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ２によりも大きくなっている場合には、タービン回転数が上昇すると、間隙Ｄｆ２側の第１接触面部Ｆが接触を開始し、タービン動翼１２の後縁スナッバ２２ｃにタービン動翼１３の前縁スナッバ２３ｂからの接触反力Ｆｃ（図１５の１点鎖線表示）が作用し、この接触反力Ｆｃの軸方向成分がタービン動翼１２を軸方向前側（入口側）へ倒す方向に作用する。しかし、このとき、タービン動翼１３の前縁スナッバ２３ｂにおける突出部先端面２３ｇとタービン動翼１２の翼部先端１２ａにおける後縁腹側面２２ｇａとが一旦は離反した後に接触して、突出部先端面２３ｇから後縁腹側面２２ｇａへ接触反力ｆｃ（図１５の１点鎖線表示）が作用する。この接触反力ｆｃの軸方向成分は前記接触反力Ｆｃの軸方向成分を相殺することになるので、タービン動翼１２の軸方向前側（入口側）への倒れが抑制されることになる。

ところで、図１０及び図１１に示す隣接翼近接面部Ｈは、任意のタービン動翼１１、１２…のうち、例えばタービン動翼１１における第１接触面部Ｆを形成する後縁スナッバ２１ｃの第１接触面部Ｆを構成する接触面２１ｆよりもタービンロータ１４（回転軸）の軸方向上流側に設けられた突出部先端面２１ｈ（図１２（Ｄ）、図１３（Ｄ））と、タービン動翼１１に対し後縁側に隣接するタービン動翼１２における翼部先端１２ａの前縁背側面２２ｈ（図１２（Ｄ）、図１３（Ｄ））とにより、間隙Ｄｈを有して形成される。この隣接翼近接面部Ｈの相対する突出部先端面２１ｈと前縁背側面２２ｈにより形成される間隙Ｄｈは、タービン動翼１１、１２…のタービン定格回転数において所定の値に設定されると共に、タービン組付け状態においても、ゼロ以外の値に設定される。

この隣接翼近接面部Ｈは、例えばタービン動翼１１の後縁スナッバ２１ｃが遮蔽部材となって、図１３（Ａ）及び（Ｄ）のタービン動翼１２の前縁スナッバ２２ｂにおける突出部根元部２２ｒ(前述の凹部２２ｒと同一)に生じ易い、周方向に飛来するドレン（図１１の矢印Ｗ方向）による浸食の発生とその進行を抑制することが可能となる。この作用は、特に排気室スプレー作動中のようなタービン低負荷運転時において有効である
図１０及び図１２に示すように、タービン動翼１１、１２…の組付け状態においては、隣接翼近接面部Ｈは、第１接触面部Ｆ及び第２接触面部Ｇと共に、タービン動翼１１、１２…の外表面に表れているので、第１接触面部Ｆ、第２接触面部Ｇ、隣接翼近接面部Ｈのそれぞれの間隙値を簡単に測定でき、これらの第１接触面部Ｆ、第２接触面部Ｇ、隣接翼近接面部Ｈの組付け時のばらつきを容易に発見できる。その結果に基づいて修正作業を適正に行うことにより、第１接触面部Ｆ、第２接触面部Ｇ、隣接翼近接面部Ｈの各間隙のばらつきを最小に抑えた、より信頼性の高いタービンを提供することが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１実施の形態の効果（１）〜（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）〜（８）を奏する。

（５）第２接触面部Ｇにおける接触面の一つが、タービン動翼１１、１２…における翼部先端１１ａ、１２ａ…の後縁腹側面、例えば翼部先端１１ａの後縁腹側面２１ｇａであるため、前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…及び後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…を最小面積に構成できる。このため、前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…及び後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…に生ずる遠心力を大幅に低減できるので、タービン動翼１１、１２…の翼部先端１１ａ、１２ａ…から前記スナッバが突出する根元部分の応力を低減でき、この結果、信頼性の高いタービン動翼１１、１２…を実現できる。

（６）第１接触面部Ｆが前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…と後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…間に形成され、第２接触面部Ｇが前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…と翼部先端１１ａ、１２ａ…間に形成されたので、第１接触面部Ｆにおける接触面、例えば接触面２２ｆ、２１ｆの接触長さを十分に確保できる。このため、第１接触面部Ｆの接触面に生ずる応力を低減できる。

（７）第２接触面部Ｇは、タービン動翼１１、１２…の組付け状態で、相対する接触面である前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…の突出部先端面（例えば突出部先端面２２ｇ）と、翼部先端１１ａ、１２ａ…の後縁腹側面（例えば後縁腹側面２１ｇａ）とが押し付けられて構成されている。このため、現実には避けがたい、第１接触面部Ｆにおけるタービン動翼１１、１２…組付け時の間隙Ｄｆのばらつきを、第２接触面部Ｇの押付力（接触反力ｆｃ）による復元作用によって、タービン回転数の上昇前または上昇中に修正することができる。この結果、タービン定格回転数において、設計状態により近い翼列を実現できる。

尚、この効果（７）は、前記第１の実施の形態においても、タービン動翼１１、１２…の組付け状態において第２接触面部Ｇの接触面（例えば接触面１１ｇ、１２ｇ）が押し付けられて構成されているので、同様に効果を奏する。

（８）例えばタービン動翼１１の、第１接触面部Ｆを構成する後縁スナッバ２１ｃの突出部先端面２１ｈと、タービン動翼１１に対して後縁側に隣接するタービン動翼１２の翼部先端１２ａの前縁背側２２ｈとにより、間隙Ｄｈを有する隣接翼近接面部Ｈが設けられる。この隣接翼近接面部Ｈは、後縁スナッバ２１ｃ、２２ｃ…の形状から、前縁スナッバ２１ｂ、２２ｂ…の突出部根元部（例えば突出部根元部２２ｒ）に生じる、図１１の矢印Ｗ方向に飛来するドレンによる浸食の発生と進行を防止することができる。

また、タービン動翼１１、１２…の組付け時における隣接翼近接面部Ｈの間隙Ｄｈは、第１接触面部Ｆの間隙Ｄｆ及び第２接触面部Ｇの間隙Ｄｇと同様に、タービン動翼１１、１２…の組付け状態の良否の指標として有効であると共に、この狭い間隙Ｄｈは、タービン回転数の上昇によってタービン動翼１１、１２…が異常に振動現象を起こした場合に、これらの突出部先端面２１ｈと前縁背側２２ｈが衝突することによって制振効果を発揮できる。

本発明に係るタービン動翼組立体における第１の実施の形態の一部を拡大し、各タービン動翼の組付け状態を示す一部拡大斜視図。 図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン停止状態を半径方向外側から見た正面図。 図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン回転数上昇中の状態を半径方向外側から見た正面図。 図１のタービン動翼組立体のうち、複数のシュラウドにおけるタービン定格回転状態を半径方向外側から見た正面図。 図２〜図４のシュラウドにおける各接触面部の接触面移動方向を説明する説明図。 図２〜図４の各接触面部に作用する接触反力とタービン回転数との関係を示すグラフ。 図１のタービン動翼におけるキャンベル線図。 図２〜図４の各接触面部の隙間とタービン回転数との関係を示すグラフ。 図２〜図４の第１接触面部におけるタービン停止状態での間隙寸法と接触開始回転数との関係を示すグラフ。 本発明に係るタービン動翼組立体における第２の実施の形態のうち、複数のシュラウドのタービン停止状態を半径方向外側から見た正面図。 図１０の複数のシュラウドにおけるタービン定格回転状態を半径方向外側から見た正面図。 （Ａ）は、図１０の一部を拡大して示す拡大図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、図１２（Ａ）における第１接触面部、第２接触面部、隣接翼近接面部を更に拡大して示す拡大図。 （Ａ）は、図１１の一部を拡大して示す拡大図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、図１３（Ａ）における第１接触面部、第２接触面部、隣接翼近接面部をそれぞれ拡大して示す拡大図。 第１接触面部の間隙が異なる場合を示す、図１０（タービン停止状態）に対応する複数のシュラウドの正面図。 第１接触面部の間隙が異なる図１４の場合において、タービン回転数が接触開始回転数近傍となった状態を示す複数のシュラウドの正面図。 タービン動翼結合装置の第１従来（背景）技術を備えるタービン動翼の組付け状態を示す斜視図。 図１６の複数のシュラウドを示し、（Ａ）がタービン停止状態、（Ｂ）がタービン定格回転状態のそれぞれ正面図。 図１７のシュラウドに作用する接触反力とアンツイスト力とタービン回転数との関係を示すグラフ。 図１６及び図１７のタービン動翼におけるキャンベル線図。 タービン動翼結合装置の第２従来（背景）技術を備える複数のシュラウドを示し、（Ａ）はタービン停止状態、（Ｂ）はタービン低回転状態、（Ｃ）はタービン定格回転状態のそれぞれ正面図。 タービン動翼結合装置の第３従来（背景）技術を備える複数のシュラウドを示し、（Ａ）はタービン停止状態、（Ｂ）はタービン低回転状態、（Ｃ）はタービン定格回転状態のそれぞれ正面図。 タービン動翼結合装置の第４従来（背景）技術を備える複数のシュラウド示し、（Ａ）はタービン停止状態、（Ｂ）はタービン低回転状態、（Ｃ）はタービン定格回転状態のそれぞれ正面図。 タービン動翼結合装置の第２〜第４従来技術における接触反力とタービン回転数との関係を示すグラフ。 図２０乃至図２２のタービン動翼におけるキャンベル線図。 図１７に示すタービン動翼結合装置の第１従来技術において、タービン停止状態における接触面間隙が異なる場合を示す複数のシュラウドの正面図。 図２５のタービン停止状態からタービン回転数が接触開始回転数近傍まで上昇したときの状態を示す複数のシュラウドの正面図。

符号の説明

１０ タービン動翼組立体
１１、１２…タービン動翼
１１ａ、１２ａ… 翼部先端
１１ｂ、１２ｂ… 前縁スナッバ
１１ｃ、１２ｃ… 後縁スナッバ
１１ｆ、１２ｆ… 接触面
１１ｇ、１２ｇ… 接触面
１６ シュラウド
２０ タービン動翼組立体
２１ｂ、２２ｂ… 前縁スナッバ
２１ｃ、２２ｃ、… 後縁スナッバ
２１ｆ、２２ｆ…接触面
２１ｇａ 後縁腹側面
２２ｇ 突出部先端面
２１ｈ 突出部先端面
２２ｈ 前縁背側面
Ｆ 第１接触面部
Ｇ 第２接触面部
Ｈ 隣接翼近接面部
Ｄｆ 間隙
Ｄｇ 間隙
Ｄｈ 間隙
Ｒｃ 接触開始回転数
ｒ２ 分離回転数
α 鋭角
β 鈍角

Claims (7)

1. 断面形状が根元から先端に向かって捻れて形成された翼部と、前記翼部の翼部先端に一体に形成されたシュラウドとを備えるタービン動翼を回転軸の周方向に複数配設し、各前記タービン動翼の前記翼部先端と前記シュラウドとを含む先端部に設けられた結合手段を用いて、これらの周方向に配設された複数の前記タービン動翼を一群に結合可能としたタービン動翼組立体であって、
   相隣接する前記タービン動翼のそれぞれの前記先端部に設けられる前記結合手段は、前記回転軸の軸方向下流側へ向かってタービンの回転方向に対し鋭角をなし、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記先端部と相対する平坦な接触面を備えた第１接触面部と、前記回転軸の軸方向下流側へ向かってタービンの回転方向に対し鈍角をなし、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記先端部と相対する平坦な接触面を備えた第２接触面部とを有し、
   前記タービンが停止した状態で前記タービン動翼ぞれぞれの前記第２接触面が、周方向に隣接する前記タービン動翼の第２接触面部と接触状態におかれるとともに、
   前記タービンの回転数の上昇過程で、前記タービン動翼のぞれぞれの前記第２接触面部が接触状態から分離状態に移行して前記第１接触面部及び第２接触面部が分離状態となり、その後前記第１接触面部が分離状態から、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記第１接触面部との接触状態へ移行し得るよう構成されたことを特徴とするタービン動翼組立体。
2. 前記第１接触面部は、前記第２接触面部に対して前記回転軸の軸方向下流側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼組立体。
3. 前記第１接触面部は、前記第２接触面部に対して前記回転軸の軸方向上流側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼組立体。
4. 前記タービン回転数の上昇過程で、第１接触面部が接触状態へ移行する接触開始回転数は定格回転数の６０％から７５％の回転数に設定され、また、第２接触面部が接触状態から分離状態に移行する分離回転数は、前記第１接触面部の前記接触開始回転数よりも、定格回転数の５％から２０％低く設定されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼組立体。
5. 前記タービン動翼のそれぞれにおける前記シュラウドは、前記翼部先端の背側から突出する前縁スナッバと、腹側から突出する後縁スナッバとを備え、
   前記第１接触面部は、前記前縁スナッバの前縁側と後縁スナッバの後縁側に設けられ、
   前記第２接触面部は、前記前縁スナッバに設けられた前記第１接触面部における前記回転軸の軸方向下流側と、前記翼部先端の後縁側における腹側に設けられたことを特徴とする請求項３に記載のタービン動翼組立体。
6. 前記タービン動翼のそれぞれにおける前記シュラウドは、前記翼部先端の背側から突出する前縁スナッバと、腹側から突出する後縁スナッバとを備え、
   前記後縁スナッバに設けられた前記第１接触面部の前記回転軸の軸方向上流側には、周方向に隣接する前記タービン動翼の前記先端部と間隙を有して相対する隣接翼近接面部が設けられたことを特徴とする請求項３または５に記載のタービン動翼組立体。
7. ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に収納される回転軸であるタービンロータとを備え、
   前記タービンロータに請求項１から６のいずれか１項に記載のタービン動翼組立体を設けたことを特徴とするタービン。

Images